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Lexikon

Hier können Sie sich über einige physikalische Begriffe, die auf dieser Seite verwendet werden, informieren. Dieses Nachschlagewerk ist vor allem auch für Nicht-Physiker geeignet und wird von Zeit zu Zeit auch um neue Einträge ergänzt.

Beta-Zerfall

Bei radioaktiven Zerfällen unterscheidet man zwischen Alpha-, Beta- und Gamma- Strahlung. Beim Beta-Zerfall geht der Atomkern in einen stabileren Zustand über indem sich ein Neutron in ein Proton verwandelt. Das bedeutet, dass die Massenzahl erhalten bleibt, aber die Kernladungszahl sich um eins erhöht. Aufgrund der erforderlichen Ladungserhaltung wird gleichzeitig noch ein Elektron abgestrahlt. Diese energiereichen Elektronen bezeichnet man als Beta-Strahlung. Zusätzlich entsteht ein Anti-Neutrino (auch aufgrund eines Erhaltungssatzes, der Leptonenzahlerhaltung).Es gibt noch eine zweite Art der Beta-Strahlung. Die oben beschriebene nennt man aufgrund des negativ geladenen Elektrons, welches emittiert wird, β--Strahlung (sprich: Beta-Minus-Strahlung). Die zweite, etwas seltenere Variante nennt man β+-Strahlung (sprich: Beta-Plus-Strahlung). Dabei wird, umgekehrt zum β--Zerfall, ein Proton in ein Neutron umgewandelt. Also bleibt auch hier die Massenzahl des Kerns gleich, nur die Kernladungszahl erniedrigt sich um eins. Aufgrund der schon angesprochenen Ladungserhaltung entsteht dabei kein Elektron, sondern ein Positron (quasi ein Anti-Elektron), welches aber genauso abgestrahlt wird. Analog dazu wird kein Anti-Neutrino, sondern ein Neutrino erzeugt.

Elektronvolt (eV)

In der Physik benutzt man oft unterschiedliche Einheiten zur Messung einer bestimmten Größe. Das Elektronvolt wird, genau wie die Einheit Joule [J] oder früher die Kalorie [cal], dazu verwendet Energien zu messen. Speziell für kleine Energieeinheiten ist es sinnvoll das Elektronvolt zu nutzen. Dabei handelt es sich genau um die Energie, die ein Elektron hat nachdem es von einer Spannung U = 1 Volt beschleunigt worden ist. Es besteht die Beziehung:1 eV = 1,602 * 10-19 J. Aber auch andere Größen, wie zum Beispiel Massen oder Geschwindigkeiten von Teilchen, können über die Einsteinsche Beziehung E = m*c² in der Energieeinheit Elektronvolt angegeben werden.

Helium

Helium ist ein farb- und geruchloses, inertes (chemisch nicht reagierendes) Gas aus der achten Hauptgruppe des Periodensystems. Helium wurde 1868 von Joseph Norman Lockyer im Gasmantel der Sonne entdeckt, als er eine keinem anderen Element zuordenbare Spektrallinie beobachtete. Helium wurde von Lockyer nach dem griechischen Wort für Sonne - helios - benannt. Auf der Erde wurde Helium zum ersten Mal 1895 durch Sir William Ramsay in uranhaltigem Gestein (Cleveit) nachgewiesen. Die Heliumvorkommen auf der Erde sind das Produkt radioaktiven Zerfalls. Das Helium reichert sich jedoch nicht in der Erdatmosphäre an, weil die Erdanziehungskraft nicht ausreicht, um das Helium vom Hinausdiffundieren ins Weltall abzuhalten. Neben Helium-4 kommen auf der Erde auch noch Spuren des Isotops Helium-3 vor. Helium-3 entsteht aus dem Zerfall des seltenen radioaktiven Wasserstoffisotops Tritium (Wasserstoff-3). Es macht etwa 1,3 ppm (0,00013%) des Heliumvorkommens aus. Helium wird aus Erdgas gewonnen. Erdgas einiger Lagerstätten in den USA enthält bis zu 7,6% Helium.

Isotop

Unter Isotopen versteht man die unterschiedlichen Varianten der Atomkerne eines Elements. Ein Atomkern besteht i.A. aus einer ganz bestimmten Zahl Protonen und Neutronen. Die Summe der Protonen und Neutronen, in ihrer Gesamtheit auch Nukleonen genannt, ergibt die Massenzahl des Atoms; z.B. hat ein Sauerstoffatom acht Protonen und acht Neutronen, somit eine Massenzahl von A=16. Dagegen hat ein Silberatom 47 Protonen und 61 Neutronen, somit eine Massenzahl von A=108.Die Anzahl der Protonen, auch Kernladungszahl genannt, legt die Anzahl der Elektronen in der Atomhülle fest. Und die Anzahl der Elektronen bestimmt die Chemie (z.B. Bindungen) der Elemente.Über die Unterscheidung zwischen Kernladungszahl und Massenzahl definiert sich schließlich der Begriff ‚Isotop’: Die Isotope eines Elements haben die gleiche Kernladungszahl, also die gleiche Chemie, aber eine andere Massenzahl! Das bedeutet natürlich, dass die Neutronenzahl eine andere sein muss. Zum Beispiel gibt es nicht nur das oben erwähnte Sauerstoff-16 (16O), sondern auch die in der Natur vorkommenden 17O und 18O, des weiteren einige künstlich erzeugte, z.B. 15O.Woran bemerkt man denn dann den Unterschied zwischen den verschiedenen Isotopen, wenn sie sich doch chemisch sehr ähnlich verhalten? Die veränderte Masse kann zum Beispiel zu einer Veränderung der Schmelz- oder Siedetemperaturen führen. Des Weiteren kann es durch den veränderten Aufbau des Kerns zu Instabilitäten kommen. D.h. der Kern sucht sich nach gewisser Zeit, der mittleren Lebensdauer, einen neuen und stabileren Zustand – er zerfällt! Daher kann es von ansonsten stabilen Atomen auch radioaktive Isotope geben. Aber nicht alle Isotope müssen radioaktiv sein (siehe Wasserstoff oder Helium).

Neutrino

Anfang der dreißiger Jahre wurde das Neutrino aus der Betrachtung des Beta-Zerfalls theoretisch vorhergesagt. Die beim Beta-Zerfall entstehenden Elektronen weisen ein kontinuierliches Energiespektrum auf, d.h. jedes Elektron bekommt durch den Zerfall eine Energiemenge zugeteilt, die dem Betrachter willkürlich erscheinen muss. Da die Energie vor dem Zeitpunkt des Zerfalls sehr scharf festgelegt ist, hingegen die Energie nach dem Zerfall offensichtlich nicht, konnte der Beta-Zerfall damals nicht im Einklang mit der sonst gültigen Energieerhaltung gesehen werden. Wolfgang Pauli schlug als Ausweg einen Dreikörperzerfall vor, bei dem es neben Atom und emittiertem Elektron noch ein drittes Teilchen geben sollte, welches dann die restliche Energie erhalten sollte. Enrico Fermi nannte dieses zusätzliche Teilchen Neutrino. Der direkte Nachweis in einem Experiment gelang aber erst Mitte der fünfziger Jahre. Mittlerweile weiß man, dass Neutrinos die häufigsten Teilchen im Universum sind, aber nur äußerst selten mit anderen Teilchen wechselwirken. Sie gehören im Standardmodell der Kernphysik zu den Elementarteilchen, sind also nicht weiter teilbar, und haben eine sehr kleine Masse, welche aber noch nicht genau bestimmt werden konnte. In physikalischen Formeln werden Neutrinos durch den griechischen Buchstaben ν (gesprochen: ny) dargestellt.

Standardbedingungen

Standardbedingungen (STP = Standard Temperature and Pressure) beschreiben eine bestimmte Kombination aus Druck und Temperatur, welche oft wichtige Rahmenbedingungen in den Naturwissenschaften sind. Die Normalbedingungen sind weltweit standardisiert auf den normalen Luftdruck der Atmosphäre von 1,013 bar (= 1013 hPa = 1 atm) und einer Temperatur von 0°C (= 273,15 K).

Tritium

Bei Tritium handelt es sich um eines der drei in der Natur vorkommenden Wasserstoffisotope. Dabei stellt es die schwerste und seltenste der Wasserstoffmodifikationen dar (siehe Wasserstoff). Unter Normalbedingungen liegt es, wie auch die anderen Wasserstoffisotope, gasförmig als Molekül T2 vor. Der Atomkern des Tritiums besteht aus einem Proton und zwei Neutronen, und kann somit im neutralen Zustand ein Elektron in seiner Hülle binden. Allerdings ist die Zusammensetzung des Kerns (1p, 2n) nicht stabil, d.h. Tritium ist radioaktiv. Es zerfällt ausschließlich über den β-Zerfall, mit einer Halbwertszeit von ungefähr 12,3 Jahren. Die Energie des emittierten Elektrons beträgt ca. 18,6 keV und das Endprodukt des Zerfalls ist Helium (3He).

Wasserstoff (Isotope)

Wasserstoff ist das erste und leichteste Element des Periodensystems der Elemente. Man unterscheidet drei verschiedene Isotope. Wenn man von Wasserstoff spricht, meint man im Allgemeinen das leichteste Isotop „Protium“, welches aus nur einem Proton im Kern und einem Elektron in der Hülle besteht. Im Jahr 1931 wurde dann der ‚schwere’ Wasserstoff entdeckt: Deuterium. Der Unterschied zum normalen Protium ist das zusätzliche Neutron im Kern, womit sich die Masse des Atoms verdoppelt. (Das Neutron an sich wurde jedoch erst ein Jahr später entdeckt!)Kurze Zeit später, 1934, gelang es dann auch ‚überschweren’ Wasserstoff herzustellen, d.h. mit einem weiteren Neutron im Kern. Diese Kombination kommt in der Natur nur sehr selten vor. In natürlich vorkommendem Wasserstoff findet man 99,99% Protium, 0,01% Deuterium und nur zu 10-15 % Tritium.